風機布置方式對設備艙內外流場的影響研究

溫立強，楊美傳

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

風機作為冷卻設備，在列車上應用廣泛且數量較多，風機自身形成的局部氣流對列車運行時的流場有著影響。本文從列車上下行兩方面分析單設備風機的布置方式對于氣流場的影響，利用ANSYS Fluent軟件進行仿真分析，更加直觀地體現出流場變化情況，為多風機的氣流場研究以及今后風機的合理選擇與布置提供了理論依據。

1 計算模型的建立

本文主要研究設備艙內主變流器軸流風機布置方式對流場的影響，利用CATIA建立模型如下：主變流器尺寸為3 100 mm×2 400 mm×650 mm，兩臺風機直徑均為400 mm，設備艙尺寸為4 000 mm×3 380 mm×650 mm。

本研究主要分為兩種方案：①列車上下行、風機出口垂直于流場速度；②列車上下行、風機出口平行于流場方向。利用ICEM創建14 000×10 000×1 300流場空間，模擬車下流場，包裹需要進行分析的設備艙，并進行網格劃分，網格總數約為1.3×106個。設備艙三維模型及流場計算模型如圖1所示。

2 仿真過程及結果對比

將網格數據導入Fluent，設置如下邊界條件：使用標準k-ε湍流模型，風機區域轉速為700 r/min、流場入口為200 km/h的速度入口，流場出口為壓力出口，流場邊界設置為移動壁面，速度為200 km/h。應用軟件CFD-POST進行計算結果后處理。

圖2為列車上行無風機情況下設備艙內外部氣流速度云圖。設備艙左上角與右下角各設置一個流通口，上行時，因設備艙內外形成壓差，艙內氣流從上方出口流出，下方入口流入。此時入口處氣流慣性較大，大部分進入的氣流經右端流向出口，造成艙內左端流速較低；設備設有氣流出入口，可見設備內部氣流同樣不均勻，不利于設備散熱。列車下行結果與上行結果相同。

圖2 列車上行無風機情況下設備艙內外部氣流速度云圖

圖3為采取方案1時設備艙內外氣流速度云圖。由圖3可見，裝載風機后，對于設備艙外部氣流影響不大，對于設備艙一端低流速有著明顯的改善，且主變流器內部氣流狀態較為理想，此種方案應能滿足設備的散熱要求。

圖3 方案1設備艙內外氣流速度云圖

圖4為采取方案2時設備艙內外氣流情況。同樣裝載風機后對設備艙外部的影響不大，但設備艙內部出現明顯缺陷，上、下行均加劇了低流速情況；主變流器內部氣流同樣非常不理想，此方案不能滿足其散熱要求。

圖4 方案2設備艙內外氣流速度云圖

設置如圖5所示監測面，截取監測數據結果如表1所示。

圖5 監測面設置

方案監測面1監測面2監測面3監測面4無風機上行24.791.577.3191.5下行92.024.7190.877.8方案1上行123.734.172.9188.7下行92.6151.5186.9102.0方案2上行16.686.466.9188.8下行85.122.0200.777.3

根據數據顯示，我們可以更加客觀地總結出各方案的優劣性。比較方案1與無風機情況，方案1情況較之有著明顯的改善。上行時，監測面1氣流速度增長約為原來的5倍，但是監測面2氣流速度降低約60 km/h，主要原因為風機自身流場對設備艙內流場有正負影響。風機運行時，既幫助艙內氣流流入設備和分散艙內氣流流經監測面1端，同時亦阻礙流經監測面2端的氣流流向設備艙出口；下行時，氣流主要變化在監測面2端，速度增長高達6倍，明顯改善其低流速情況。比較方案2與無風機情況，監測面1和監測面2的數據均為下降，說明方案2在此運行模式下對設備艙內氣流流動造成負影響。監測面3在上行時為向外排風，監測面4在下行時為向外排風。比較三種方案可見，風機的布置方式對排風速度的影響范圍在-13.5%～+31%之間，其中方案1列車下行排風速度增長31%。

3 結論

仿真結果顯示，風機自身形成的氣流場對于設備艙內的氣流場存在正負影響。風機的布置方式對設備艙排風速度的影響范圍在-13.5%～+31%，方案1總體比方案2有明顯優勢，同時亦能改善無風機方案中的缺點，所以方案1的安裝方式適合此場景要求。本文研究的對象為主變流器上的風機，設備艙內風機的應用很多，本文的研究結果為今后多風機的氣流場研究以及風機的合理選擇與布置提供了理論依據。